- •Введение
- •Развитие электроники
- •Особые свойства электронных приборов
- •Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников
- •1.1. Общие сведения о полупроводниковых материалах
- •1.1.1. Энергетические зонные диаграммы кристаллов
- •1.1.2. Прохождение тока через металлы
- •1.2. Собственная проводимость полупроводников
- •1.3. Примесная проводимость полупроводников
- •1.3.1. Электронная проводимость. Полупроводник n-типа
- •1.3.2. Дырочная проводимость. Полупроводник p-типа
- •1.4. Однородный и неоднородный полупроводник
- •1.5. Неравновесная концентрация носителей
- •1.6. Прохождение тока через полупроводники
- •1.7. Уточнение понятий “собственные” и “примесные” полупроводники
- •Глава 2. Количественные соотношения в физике полупроводников
- •2.1. Распределение Ферми. Плотность квантовых состояний
- •2.2. Функция распределения Ферми – Дирака
- •2.3. Плотность квантовых состояний
- •2.4. Концентрация носителей в зонах
- •2.5. Собственный полупроводник
- •2.6. Примесный полупроводник. Смещение уровня Ферми
- •Глава 3. Электронно-дырочный переход
- •3.1. Образование и свойства р-п перехода
- •3.1.1. Виды p-n переходов
- •3.1.2. Потенциальный барьер
- •3.1.3. Токи р-n перехода в равновесии
- •3.1.4. Электронно-дырочный переход при внешнем смещении
- •3.2. Вольт-амперная характеристика р-п перехода
- •3.2.2 Влияние температуры на характеристику и свойства р-п перехода
- •3.2.3. Емкость р-п перехода
- •Глава 4. Полупроводниковые диоды
- •4.1 Диоды
- •4.1.1. Реальная вольт-амперная характеристика (вах) диода
- •4.1.2. Параметры диода
- •4.2. Разновидности диодов. Точечные и плоскостные диоды
- •4.2.1. Выпрямительные и силовые диоды
- •4.2.2. Тепловой расчет полупроводниковых приборов
- •4.2.3. Кремниевые стабилитроны (опорные диоды)
- •4.2.4. Импульсные диоды
- •4.2.5. Туннельные и обращенные диоды. Туннельный эффект. Туннельные диоды (тд)
- •4.2.6. Варикапы
- •4.4. Обозначение (маркировка) несиловых диодов
- •Глава 5. Биполярный бездрейовый транзистор
- •5.1. Устройство и принцип действия
- •5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи тока
- •5.2.1. Возможность усиления тока транзистором
- •5.3. Три схемы включения транзистора
- •5.4. Статические характеристики транзистора
- •5.5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току транзистора
- •5.6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора
- •5.6.1. Зависимость внутренних параметров транзистора от режима и от температуры
- •5.6.2. Четырехполюсниковые h-параметры транзистора и эквивалентная схема с h-параметрами
- •5.6.2.1. Определение h-параметров по статическим характеристикам
- •5.6.2.2. Связь между внутренними параметрами и h-параметрами
- •5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор
- •5.7.1. Частотно-зависимые параметры
- •5.7.2. Дрейфовый транзистор
- •Глава 6. Полевые (униполярные) транзисторы
- •6.1. Унитрон
- •6.3. Параметры и эквивалентная схема полевого транзистора
- •6.4. Обозначение (маркировка) и типы выпускаемых транзисторов
- •Глава 7. Тиристоры
- •7.1. Устройство и принцип действия тиристоров
- •7.2. Закрытое и открытое состояние тиристора
- •7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)
- •7.2.2. Открытое состояние (ключ включен)
- •7.3. Включение и выключение тиристора
- •7.4. Параметры тиристора
- •7.5. Типы и обозначения силовых тиристоров
- •Глава 8. Интегральные микросхемы.
- •8.1 Общие сведения о микросхемах.
- •8.1.1 Классификация микросхем.
- •8.1.2. Обозначения имс
- •8.2. Сведения по технологии получения имс
- •8.2.1. Исходные материалы
- •8.2.2. Групповой метод. Планарная технология
- •8.3. Планарно – эпитаксиальный цикл.
- •8.3.1. Эпитаксия.
- •8.3.2. Окисление поверхности кремния.
- •8.3.3. Первая (разделительная) диффузия.
- •8.3.4. Вторая (базовая) и третья (эмиттерная) диффузии.
- •8.3.5. Металлизация (межсоединения).
- •8.3.6. Фотолитография.
- •8.4. Особенности и перспективы развития интегральных схем.
- •8.4.1. Особенности имс.
- •8.4.2. Перспективы развития.
- •Библиографический список
- •Глава 8. Интегральные микросхемы ……………………………………… 61 Библиографический список ……………………………………………….. 78
3.2. Вольт-амперная характеристика р-п перехода
Теоретическая вольт-амперная характеристика р-пперехода находится при решении уравнения непрерывности /2/, описывающего закон движения инжектированных неосновных носителей, например дырок вп-области, в направлении от границы вглубь области. Однако вольт-амперную характеристику можно подучить сравнительно просто, определяя величину тока только на границер-пперехода (легко найти), как это показано ниже.
На рис.3.5 схематично приведена п-область ср-п переходом (принято, что ширина переходаh0=0). При прямом смещении вп-область инжектируются дырки и увеличивают на границе ср-п переходом концентрацию дырок от равновеснойpnдо возмущеннойpn0на величинуpn0. Таким образом, вп-области на границе с переходом имеет место процесс возмущения неосновных носителей, рассмотренный в п.1.5 и показанный на рис.1.6,а. Под действием градиента концентрации возникает диффузионный поток дырок вглубьп-области отр-пперехода. Плотность полного тока в любом сечениип-области определяется равенством (1.9). Однако на границе (x= 0) дрейфовая составляющая равна нулю и ток является полностью диффузионным. Дырочная составляющая диффузионного тока на границе перехода согласно (1.8) определяется выражением
. (3.2)
Градиент концентрации на границе перехода может быть определен через избыточную концентрацию pn0на границе и среднюю длину диффузии дырок –Lp (см. рис.3.5):
. (3.3)
Граничную концентрацию pn0можно найти из равенства (3.1), распространенного на неравновесную концентрацию pn0, с учетом результирующего потенциального барьера = 0 - Ua:
,
из которого с учетом (3.1) можно найти
. (3.4)
Равенство (3.4), устанавливающее граничную концентрацию инжектированных дырок, является важнейшим в теории полупроводников. Более строгая теория дает такой же результат /2/. Используя (3.4) и (3.3), можно найти
. (3.5)
Точно так же, используя равенства (3.2), (3.3) и (3.4) для потока инжектированных электронов в p-области, можно определить плотность электронной составляющей диффузионного тока:
. (3.6)
Вольт-амперная характеристика p-n перехода, представляющая зависимость плотности полного тока на границе перехода от напряжения смещения, может быть получена из (3.5), (3.6) и (I.8):
, (3.7)
где
. (3.8)
На практике для реальных полупроводниковых приборов (которые рассматриваются позднее) используют вольт-амперную характеристику для полного тока через p-nпереход:
(3.9)
где ,; S -площадь перехода.
Допустимая плотность тока jaдля германиевых переходов составляет 20-40 A/см2, для кремниевых – 40 - 60 А/см2. Площади же могут быть в пределах от долей мм2до 100 см2.
Зависимость (3.7) справедлива и для обратного смещения, т.е. отрицательного Ua(все приведенные выше рассуждения справедливы и для обратного смещения, только возмущение вп-области на границе будет отрицательным,pn0 < pn). На рис.3.6 приведен график характеристики (3.9).
Соотношение (3.9) тоже является одним из важнейших в теории полупроводников. В этом соотношении количественно отражены все те процессы, о которых упоминалось выше. Например, в равновесии (Ua = 0) результирующий ток равен нулю, но его составляющие+I0и- I0порознь не равны нулю и являются тепловым (-I0) и диффузионным ( + I0) токами в равновесном переходе. Качественно тепловой токI0был рассмотрен в пункте 3.1.3. Диффузионный ток является следствием теплового и всегда равен ему по величине и противоположен по направлению. Количественно величина теплового тока определяется выражением (3.8), и для распространенного случая несимметричного германиевого перехода приТ=300К
Пример 3.2.
Найти величину I0 для несимметричного германиевого перехода ( распространенный случай ) приT=3000K.
Данные:
Решение:
Указанная выше величина I0 дляSi на 3-4 порядка меньше.
У современных интегральных кремниевых транзисторов с площадью перехода не более см2 типовое значение теплового тока теоретически находится на уровнеI0 10-15А.
Тепловой ток I0сильно зависит от температуры:
(3.10)
где - ширина запрещенной зоны в масштабе потенциалов (напряжений);
- тепловой ток при заданной (комнатной) температуре.
Рис. 3.6
При прямом смещении диффузионный ток, определяемый экспоненциальным членом, быстро возрастает уже при малых Ua, например, приUa= +0,1 В (Т= 300 К,T= 25 мВ) ток через переход уже возрастет до 54 I0,а приUa= +0,2 В – уже до 2980 I0.
При обратном смещении экспоненциальный член в (3.9) уже при Ua -4T(0,1В) близок к нулю и ток через переход становится равным ‑I0, т.е. остается только обратный тепловой ток.